塔里木盆地大沙漠区地震采集技术的发展及展望——可控震源地震采集技术在MGT地区的试验及应用

赵殿栋

(中石化石油工程地球物理有限公司,北京100029)

塔里木盆地大沙漠区地震采集技术的发展及展望
——可控震源地震采集技术在MGT地区的试验及应用

赵殿栋

(中石化石油工程地球物理有限公司,北京100029)

塔里木盆地大沙漠区地震勘探走过了30多年的历程。在此期间,技术和装备的发展使地震采集技术水平不断提高,地震成像质量逐步改善,目前已经形成了成熟的爆炸震源激发地震采集技术系列,为该区一系列勘探成果的取得和油气突破发挥了关键作用。由于塔里木盆地大沙漠区恶劣的地理环境、疏松的沙漠表层、缝洞型储集体和薄互层砂岩并存的勘探目标,以及超过7000m的最大勘探深度等一系列难点,使得可控震源激发技术一直难以得到有效应用。不久前在塔里木盆地沙漠区开展的以“点、线、束、面”逐步推进、对激发参数和观测系统不断优化为技术思路的可控震源三维地震采集试验获得成功,推动了塔里木盆地大沙漠区地震勘探进入应用可控震源进行“高效、安全、环保”的施工作业模式,开展高密度、宽方位、宽频带、高覆盖次数地震采集的新阶段。

大沙漠区；地震采集；可控震源；技术发展

塔里木盆地总面积56×105km2,可探明油气资源总量巨大[1],是我国重要的油气资源战略接替区和油气生产基地。盆地周边被天山、昆仑山和阿尔金山所环绕,中部是有着“死亡之海”之称、面积33.7×105km2的塔克拉玛干沙漠。沙漠区由连绵起伏且流动的沙丘、沙垄及复合体组成,相对高差从几米到近百米,最高可达250m。沙漠近地表基本上为两层结构,以潜水面为界,其上统称为低速层,自上而下具有连续性介质的性质,速度为350～700m/s,厚度基本随地表高程变化,一般为1～80m；潜水面以下为含水沙层,称为降速层或高速层,速度为1600～1900m/s。勘探主要目标为奥陶系碳酸盐岩缝洞型储层,兼探志留系和石炭系厚度20m以下的薄层砂岩。该区具有目的层埋藏深度在4000～7000m、表层沙漠对地震信号衰减严重、干扰波发育,勘探目标隐蔽性强等特点[2]。因此,塔里木盆地沙漠区恶劣的地理环境、复杂的表层和深层地震地质条件给地震勘探带来巨大的挑战,多年以来一直是地震勘探工作者攻关的舞台。

1 塔里木盆地沙漠区地震采集技术的发展与现状

塔里木盆地大沙漠区地震勘探始于20世纪80年代。1983年,当时的中国石油天然气总公司地球物理勘探局与国外合作组建沙漠地震队,开始了在塔克拉玛干沙漠区的地震勘探。此后,经过我国地震勘探工作者近30年的探索与实践,形成了一套成熟的大沙漠区炸药震源激发地震采集技术系列。

塔里木盆地沙漠区地震采集技术发展历程大致可划分为3个阶段。

第1阶段为20世纪80年代至90年代中期。该阶段使用以DFS-V和SN338为代表的早期数字地震仪[3],采用50m道距、60～240次覆盖观测系统,大药量浅井组合激发,检波器面积组合接收,获得了大沙漠区的地震资料。这一阶段取得的地震资料剖面信噪比低,尤其是中深层的反射弱,内幕结构模糊不清,难以在地震剖面上对目的层进行追踪对比。

第2阶段为20世纪90年代中期至21世纪初。以2001年以后中国石油化工集团公司组织勘探队伍在登记的塔里木盆地大沙漠区矿权区块开展地震采集工作为例,各勘探队伍凭借良好的装备和雄厚的技术力量,在理论研究和野外实践中不断探索,形成了一套适合大沙漠区特点的二维地震采集技术,同时开始应用三维地震采集技术。

该阶段采集方法的进步主要体现在以下几个方面:①采用SN388,Telseis-star,G.DAPS-4,408UL(XL)等为代表的24位地震仪；②潜水面以下5～9m单深井激发；③观测系统的覆盖次数和排列长度进一步增加；④通过微测井、小折射、推水坑三者结合,建立准确的近地表模型,为提高静校正精度提供准确的基础资料；⑤通过工艺改革,保证检波器在疏松表层30cm以下接收,改善了检波器的耦合条件。此外,针对巨大的沙丘区采用高分辨率卫星照片或大比例尺地形图指导选线,通过避高就低、合理变观等方法过大沙丘。应用上述技术方法得到了较好的大沙漠区地震资料,剖面质量较以前有了很大程度的提高,表1和表2分别为21世纪初大沙漠区典型二维地震采集方法和三维地震观测系统参数。这一阶段取得的地震资料奥陶系内幕反射波组的信噪比明显改善,盆地中央隆起区的次级构造和次级大断裂在剖面上显示明显,各构造单元间的接触关系清楚。

表1 21世纪初大沙漠区典型二维地震采集方法

第3阶段为21世纪初至现在。该阶段采集仪器过渡到428XXL(UL),并且随着地震勘探技术发展和油气勘探程度的提高,二维地震基本被三维地震所取代。经过不断实践和探索,形成了潜水面以下5～7m激发,25m×25m面元、覆盖次数200次左右经济有效的三维正交观测系统,以及“品”字形检波器组合方式接收的采集方法。

表3为塔中沙漠区以中下奥陶统为勘探目的层的三维观测系统参数。该阶段观测系统与以往相比,炮线距更小、覆盖次数更高、方位角更宽、接收道数更多,进一步改善了观测系统属性的均匀性,更有利于提高地震资料的成像质量。

图1对比了21世纪初塔中沙漠区采集的二维地震剖面与近年三维采集剖面(图中构造形态差异是由于二者方向有角度偏差)。利用三维地震采集技术和叠前时间偏移处理技术获得的成像资料上,奥陶系碳酸盐岩溶洞响应明显、小断裂清楚、岩性变化边界明显,提高了缝洞型油气藏的识别精度,为该区奥陶系重大油气突破起到了关键作用,开创了油气勘探的新局面。

表2 21世纪初大沙漠区典型三维地震观测系统参数

表3 目前大沙漠区典型三维地震观测系统参数

2 塔里木盆地沙漠区可控震源三维地震采集试验及效果

2.1 可控震源技术现状

始于20世纪50年代的可控震源发展至今已成为较完善的机电一体化设备。与爆炸震源相比,可控震源的优点主要表现在[4]:①所产生的地震信号为已知,可根据勘探目标的地震响应特性控制频率、输出力；②环保、高效、成本低,在流沙、砾石、工业和人口稠密区可发挥其优势；③避免炸药震源在运输、保管、工作过程中的危险性。

近10年来,性能更好的大吨位可控震源陆续投入应用,其峰值出力从最初的71.17kN发展到400.00kN,并且提高了驱动力和复杂地表的通过能力,震动畸变进一步降低。同时,随着地震勘探技术的发展和对勘探目标成像精度要求的提高,地震采集观测系统向着对称性和对波场记录的连续性方向发展,促进了滑动扫描(Slip Sweep)、距离分隔滑动扫描(Distance Separated Slip Sweeping,DSSS)、独立同步扫描(Independent Simultaneous Sweeping,ISS)、高保真可控震源地震采集(High Fidelity Vibratory Seismic,HFVS)等可控震源高效采集技术快速发展[5],以提高地震采集的施工效率,节约勘探成本。

目前国外陆地地震采集以可控震源为主,而国内由于复杂地理环境等客观因素的限制,使用可控震源采集的比例较低[6]。

沙漠区可控震源地震采集有许多先例[7],但塔里木盆地流动性大沙漠区可控震源地震采集的技术难点在于厚度几十至数百米的流动沙丘,以及超过7000m的目的层深度,使地震波能量在传播过程中受到强烈的吸收衰减[8]；另外,疏松的沙漠地表使可控震源基板-大地耦合系统的数学关系十分复杂[9]。上述原因导致利用可控震源采集的地震资料信噪比低,也使得可控震源采集技术的应用多年来处于停滞状态。

2.2 可控震源采集影响因素和试验思路

可控震源激发地震波能量与可控震源自身重量、地面出力有正比关系。可控震源通过液压平板对地面的作用力产生激发能量,信号能量与随机噪声(dB)有以下关系[10]:

(1)

式中:Nv为可控震源台数；F为地面出力(最大出力×驱动幅度)；n为可控震源扫描次数；T为扫描长度。

影响可控震源激发能量的主要因素中,地面出力受到可控震源自身重量限制,基本为固定值。受可控震源机械保护、畸变和地面环境安全限制,驱动幅度一般小于75%左右。激发单炮能量和信噪比还与台数、扫描次数平方根、扫描长度平方根成正比关系,其中台数的影响最大。

试验围绕选择合理的可控震源激发参数和观测系统参数,以获得相当于常规爆炸震源生产的地震剖面的成像效果为目的进行。本着“打好基础,有序推进”的指导思想,试验地点选择在沙丘相对高差30m左右、勘探目的层7000m左右的大沙漠区西南部MGT地区。这样,一方面利于将试验结果直接用于该区块的生产,另一方面便于将试验成果向沙漠深处逐步推广。

考虑到试验结果能够兼顾常规采集和高密度、高叠加采集两种方式参数选择的需求，试验采用“点、线、束、面”逐步推进的方式进行。其中，“点”试验用于判断对能量影响最大的可控震源激发参数，“线”试验用于对这些参数进行试验剖面的对比，“束”试验用于选择合理的观测系统，“面”试验用于对试生产的剖面进行效果评估。为了便于对每一步的试验效果进行评估，试验线与几年前施工的爆炸震源120次叠加的二维地震测线重合。

2.3 可控震源采集试验内容及效果

表4为采用28t可控震源在相对高差30m的沙丘低、中、高部位分别开展的“点”试验内容。“点”试验的结果表明,影响记录质量的主要因素是可控震源激发的震动台数。图2和图3分别给出了2～8台可控震源激发的单炮记录和能量相对变化情况。可以看出,随着震动台数的增加,单炮记录变好,能量增加明显,其中5台1次达到了与井炮相当的激发效果。这就决定了“线”试验的主要内容是进行不同震源台数的对比。

表4 可控震源“点”试验内容

考虑到使用更多的震源台数组合基距较大,导致的混波效应不利于岩性油气藏的勘探,也不利于保证初至波拾取精度以及整组震源在大沙漠区的移动,所以“线”试验进行了2台×1次、3台×1次、5台×1次的3种激发因素对比。

表5为“线”试验所采用的宽线观测系统,表6为“线”试验使用的震源参数。

图4为3种激发因素所获资料经叠前时间偏移(PSTM)处理后的中、深部剖面。可以看出,随着台数的增加剖面信噪比提高。基于前面所述的震源大组合带来的弊端，同时也考虑到今后大沙漠区高效采集技术应用的需要，决定选择3台×1次的激发因素进行高覆盖次数的“束”试验。

表5 可控震源“线”试验所采用的观测系统

图2 2～8台可控震源激发的单炮记录

图3 2～8台可控震源激发记录能量变化

表6 可控震源“线”试验使用的震源参数

震源台次2台×1次、3台×1次、5台×1次扫描长度/s20扫描频率/Hz6～84扫描方式线性驱动幅度70%震源斜坡/ms1000震源组内距/m15

“束”试验采用的观测系统由“线”试验20L×2S×320T改为20L×11S×320T,其它参数不变,这样可以形成一个最高叠加次数为1760次的数据体。通过对该数据体进行不同叠加次数的PSTM处理分析,获得满足勘探任务要求、且叠加次数合理的观测系统。

图5显示了爆炸震源120次叠加(图5a)、可控震源“束”试验120次叠加(图5b)、可控震源“束”试验640次叠加(图5c)、可控震源“束”试验1760次叠加(图5d)的叠前时间偏移剖面对比。其中可控震源剖面上标出了满覆盖区域(两条黑色竖线之间)。可以看出,随着叠加次数增加,可控震源资料成像质量逐步提高。

图6和图7分别显示了爆炸震源120次叠加与可控震源440次叠加的PSTM剖面在50～100Hz,60～120Hz频段的分频扫描对比。可以看出,可控震源剖面比爆炸震源剖面的优势带宽要宽许多,说明大沙漠区的可控震源高覆盖采集大大增强了压噪能力,有利于地震资料分辨率的提高,这为随后的“面”试验采集参数的确定提供了可靠依据。

图4 可控震源“线”试验2台×1次(a)、3台×1次(b)、5台×1次(c)3种激发因素所获资料的PSTM处理剖面

图5 爆炸震源120次叠加(a)和可控震源“束”试验120次叠加(b)、640次叠加(c)、1760次叠加(d)的PSTM剖面

图6 爆炸震源120次叠加(a)与可控震源440次叠加(b)的PSTM剖面50～100Hz分频扫描对比

图7 爆炸震源120次叠加(a)与可控震源440次叠加(b)的PSTM剖面60～120Hz分频扫描对比

“面”试验采用表6给出的震源参数、3台×1次激发、交替扫描的施工方式和表7所示观测系统参数进行。图8a显示的是获得的可控震源544次叠加的PSTM剖面(时间深度范围为3.1～5.0s),图8b显示的是相邻区块爆炸震源180次叠加的三维PSTM剖面(时间深度范围为2.7～4.6s),两个区块的地表条件相当。图中的白色框线范围为二者勘探的相同目的层范围。对比可见,虽然由于震源类型不同导致波组特征有所差异,但从成像质量看,勘探目的层在4.0s左右的高叠加可控震源剖面全面优于勘探目的层在3.5s左右的爆炸震源剖面。

试验的成功确保了该区块可控震源采集进入生产应用阶段,施工中采用三组震源交替扫描方式的平均施工日效在1000炮以上,并且剖面成像质量十分稳定。

表7 可控震源“面”试验使用的观测系统参数

图8 可控震源544次叠加(a)和邻区爆炸震源180次叠加(b)PSTM剖面对比

本次塔里木盆地大沙漠区可控震源采集试验的主要技术特点是采用了多台震源组合激发和高叠加的观测系统。此外,施工作业中使用了足够数量推土机进行推路作业以利于震板耦合、震源通行,并使激发点分布均匀,保障地震数据的整体质量且提高作业效率。

3 塔里木盆地沙漠区地震采集技术展望

理论和实践证明了地震采样的连续性、对称性、均匀性在提高地震成像质量方面的优势[11]。因此,高密度、宽方位、高覆盖是当前地震采集技术的发展趋势。由于炸药震源激发点密度的提高会导致采集成本迅速上升,因此,上述技术应用的实现只有与可控震源高效采集技术结合才具有更现实的可行性和生命力[12-13]。这不但可以大大提高塔里木盆地大沙漠区地震采集的经济效益和对地质目标的成像精度,而且可控震源地震采集也是一种绿色、环保的勘探方法,更符合我国新疆地区社会安全的需要。

通过以“点、线、束、面”逐步推进的方式开展试验,形成了可控震源激发参数和观测系统参数合理结合的采集方案,使得塔里木盆地大沙漠区MGT地区的可控震源地震采集获得成功,并在随后的生产中得到了有效应用,这将推动塔里木盆地大沙漠区地震采集技术的进一步发展。一方面,试验形成的技术方法可以在广大的地震地质条件类似地区推广应用,另一方面,也为可控震源采集技术向塔里木盆地大沙漠区腹地推广,特别是在大沙漠区开展可控震源高效采集技术的应用奠定了基础。

可控震源地震采集技术向塔里木盆地大沙漠区推广及进行高效采集会遇到以下难点:①与爆炸震源相比,可控震源是在大沙漠区地表激发,近百米甚至数百米高的沙丘、沙垄对地震波的吸收衰减作用更加强烈,需要在增强可控震源激发的下传能量方面采取更加有效的措施；②巨大沙丘、沙垄的背风面沙层非常疏松,更容易产生谐波畸变和能量损失,需要通过更多的试验进行震源参数和技术方法的合理选择；③高陡的沙丘、沙垄会使可控震源移动受到限制,尤其是在进行高密度、高效采集时,需动用更多的设备予以保障,这会导致采集成本的加大。这些难点需要在今后的实践中不断探索与总结,使大沙漠区可控震源技术方法更加系统和完善。

在需要克服上述技术难点的同时,可控震源地震采集在向大沙漠区的推广应用中还应做好以下工作:首先,面对深层碳酸盐岩储层和其它复杂圈闭的精细勘探,需要加强大沙漠区可控震源资料处理、解释的配套技术研究,建立一套适应技术发展需求的塔里木盆地大沙漠区可控震源地震勘探技术系列；其次,加强可控震源低频勘探的试验与研究[14],增加有效信号低频信息是提高成像分辨率和地震反演精度的有效手段,人们正在开展可控震源低频激发技术的研究,相信快速发展的可控震源低频激发技术可以满足未来地震勘探的激发需要。

油气资源勘探开发的需求推动了地震勘探的技术发展,地震勘探技术的发展为油气资源的勘探开发提供了更可靠的技术保障。地震仪器正向着具备大道数,有线、无线、节点混装系统,以及能够进行远程技术支持和实时质量控制等功能的方向发展[15]。经济、高效、安全、环保、低频性能更好的可控震源技术在塔里木盆地大沙漠区的推广应用与地震仪器的发展相结合,将使该区地震采集能够适应高密度、宽方位、高覆盖次数、宽频的发展趋势,使塔里木盆地大沙漠区地震采集进入新的阶段,推动该区地震勘探水平的进一步提高。

致谢：本文撰写过程中,常鉴、王炳章、宋桂桥、胡立新给予了帮助,在此表示感谢！

[1] 李德生.塔里木盆地油气勘探前景[J].新疆石油地质,2001,22(2):91-92 Li D S.Tarim Basin oil and gas exploration prospect[J].Xinjiang Petroleum Geology,2001,22(2):91-92

[2] 杨举勇,杨金华,彭更新,等.塔里木盆地沙漠地震勘探技术及应用[M].北京:石油工业出版社,2009:1-222 Yang J Y,Yang J H,Peng G X,et al.Desert seismic exploration technology and its application in Tarim Basin[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2009:1-222

[3] 朱铉.数字地震仪的发展历史及展望[J].地球物理学进展,2002,17(2):301-304 Zhu X.The development history and prospect of digital seismograph[J].Progress in Geophysics,2002,17(2):301-304

[4] 刘洪斌,陈如恒.地震勘探震源的历史与发展[J].石油机械,1997,25(8):43-52 Liu H B,Chen R H.The history and development of seismic source[J].Petroleum Machinery,1997,25(8):43-52

[5] 倪宇东,王井富,马涛,等.可控震源地震采集技术的进展[J].石油地球物理勘探,2011,46(3):349-356 Ni Y D,Wang J F,Ma T,et al.Progress of seismic acquisition technology of controllable[J].Oil Geophysical Prospecting,2011,46(3):349-356

[6] 汪恩华,赵邦六,王喜双,等.中国石油可控震源高效地震采集技术应用与展望[J].中国石油勘探,2013,18(5):24-34 Wang E H,Zhao B L,Wang X S,et al.Application and outlook of vibroseis acquisition techniques with high efficiency of CNPC[J].Chinese Petroleum Exploration,2013,18(5):24-34

[7] 黄永平,刘飞,闫杰,等.准噶尔盆地腹部沙漠区可控震源高密度采集试验[J].新疆石油地质,2013,34(1):91-94 Huang Y P,Liu F,Yang J,et al.Junggar basin desert area of vibroseis acquisition experiment of high density[J].Xinjiang Petroleum Geology,2013,34(1):91-94

[8] 凌云.大地吸收衰减分析[J].石油地球物理勘探,2001,36(1):1-8 Ling Y.Analysis of attenuation by earth absorption[J].Oil Geophysical Prospecting,2001,36(1):1-8

[9] 林君.电磁驱动可控震源地震勘探原理及应用[M].北京:科学出版社,2004:1-196 Lin J.The principle and application of electromagnetic drive vibroseis seismic prospecting[M].Beijing:Science Press,2004:1-196

[10] John G,Forest L,Alexandre E,et al.The case for longer sweeps in vibrator acquisition[J].The Leading Edge,2010,29(6):648-652

[11] 弗米尔.三维地震勘探设计[M].李培明,何永清,译.北京:石油工业出版社,2014:1-224 Fu M L.3-D seismic survey design[M].Li P M,He Y Q,translator.Beijing:Petroleum Industry Press,2014:1-224

[12] 刘金中,马铁荣.可控震源的发展状况[J].石油科技论坛,2008(5):38-42 Liu J Z,Ma T R.The development of vibroseis[J].Oil Forum,2008(5):38-42

[13] 贺海洋,蒲晓东,王新全,等.复杂地区可控震源高效采集技术[J].西南石油大学学报,2013,35(3):76-84 He H Y,Pu X D,Wang X Q,et al.Technologies of vibroseis high efficient acquisition in complex terrain area[J].Journal of Southwest Petroleum Institute,2013,35(3):76-84

[14] 陶知非,苏振华,赵永林,等.可控震源低频信号激发技术的最新进展[J].物探装备,2010,20(1):1-5 Tao Z F,Su Z H,Zhao Y L,et al.The latest development of low frequency vibrator for seismic[J].Equipment for Geophysical Prospecting,2010,20(1):1-5

[15] 刘振武,撒利明,董世泰,等.地震数据采集核心装备现状及发展方向[J].石油地球物理勘探,2013,48(4):663-675 Liu Z W,Sa L M,Dong S T,et al.Current status of kernel seismic acquisition equipment and its development direction[J].Oil Geophysical Prospecting,2013,48(4):663-675

(编辑：陈 杰)

Development and expectation on the seismic acquisition technology for the massive desert in Tarim Basin

Zhao Diandong

(SinopecGeophysicalCorporation,Beijing100029,China)

The massive desert in Tarim basin has more than 30 years’ seismic exploration history.During the period,thanks for the development of geophysical technology and equipments,seismic acquisition has been improved continuously and high-resolution imaging has been acquired; moreover,a series of mature seismic acquisition techniques with explosion source has been formed,which played a key role for the achievements of hydrocarbon exploration in this area.The massive desert in Tarim Basin is characterized by harsh geographical environment,loose surface layers,fracture-cave reservoirs and thin bed reservoirs coexisting complex exploration targets,more than 7 000 m maximum exploration depth,which challenges the effective application of the vibroseis.Recently,a 3D vibroseis acquisition test has been successfully carried out in the massive desert,and the technical clue is that “survey parameters is optimized and vibrating points is acquired gradually from point,line,gathers to the whole area”.The successful test will certainly promote the vibroseis operation mode in Tarim Basin massive desert into more efficient,more safe and environmental friendly,carry out high-density,wide-azimuth and high-fold seismic acquisition.

massive desert,seismic acquisition,vibroseis,technology development

2015-01-20;改回日期：2015-05-20。

赵殿栋(1962—),男,教授级高级工程师,主要从事地球物理方法研究、应用及技术管理工作。

P631

A

1000-1441(2015)04-0367-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.04.001